Elektrolyt

Ein Elektrolyt ist ein ionenhaltiges Medium, das durch die Bewegung dieser Ionen elektrisch leitend ist, aber keine Elektronen leitet. Dazu gehören die meisten löslichen Salze, Säuren und Basen, die in einem polaren Lösungsmittel wie Wasser gelöst sind. Beim Auflösen trennt sich die Substanz in Kationen und Anionen, die sich gleichmäßig im Lösungsmittel verteilen. Es gibt auch Festkörperelektrolyte. In der Medizin und manchmal auch in der Chemie bezieht sich der Begriff Elektrolyt auf die gelöste Substanz. ⓘ

Elektrisch gesehen ist eine solche Lösung neutral. Legt man an eine solche Lösung eine elektrische Spannung an, so werden die Kationen der Lösung zu der Elektrode gezogen, die einen Elektronenüberschuss aufweist, während die Anionen zu der Elektrode gezogen werden, die einen Elektronenmangel aufweist. Die Bewegung von Anionen und Kationen in entgegengesetzter Richtung innerhalb der Lösung führt zu einem Strom. Einige Gase, wie z. B. Chlorwasserstoff (HCl), können unter Bedingungen hoher Temperatur oder niedrigen Drucks ebenfalls als Elektrolyte fungieren. Elektrolytlösungen können auch durch die Auflösung einiger biologischer (z. B. DNA, Polypeptide) oder synthetischer Polymere (z. B. Polystyrolsulfonat) entstehen, die als "Polyelektrolyte" bezeichnet werden und geladene funktionelle Gruppen enthalten. Ein Stoff, der in Lösung oder in der Schmelze in Ionen dissoziiert, erwirbt die Fähigkeit, Elektrizität zu leiten. Natrium, Kalium, Chlorid, Kalzium, Magnesium und Phosphat in flüssiger Phase sind Beispiele für Elektrolyte. ⓘ

In der Medizin wird ein Elektrolytersatz bei längerem Erbrechen oder Durchfall sowie als Reaktion auf Schwitzen bei anstrengender sportlicher Betätigung benötigt. Im Handel sind Elektrolytlösungen erhältlich, insbesondere für kranke Kinder (z. B. orale Rehydrationslösung, Suero Oral oder Pedialyte) und Sportler (Sportgetränke). Die Überwachung der Elektrolyte ist wichtig für die Behandlung von Magersucht und Bulimie. ⓘ

In der Wissenschaft sind Elektrolyte einer der Hauptbestandteile von elektrochemischen Zellen. ⓘ

Als Elektrolyt (Maskulinum, von altgriechisch ἤλεκτρον elektron, deutsch ‚Bernstein‘, im übertragenen Sinne ‚elektrisch‘ und λυτικός lytikós, deutsch ‚auflösbar‘) bezeichnet man eine chemische Verbindung, die im festen, flüssigen oder gelösten Zustand in Ionen dissoziiert ist und die sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes gerichtet bewegt. Oft wird mit Elektrolyt auch das feste oder flüssige Material bezeichnet, das die beweglichen Ionen enthält. Die elektrische Leitfähigkeit solcher Ionenleiter ist geringer, als es für Metalle typisch ist. Sie werden deshalb als Leiter 2. Klasse bezeichnet. ⓘ

Leiter 1. Klasse (mit Elektronen als Ladungsträgern) im Kontakt mit einem Ionenleiter heißen Elektroden. An den Grenzflächen treten elektrochemische Reaktionen auf, insbesondere bei Stromfluss. ⓘ

Elektrolyte sind für lebende Organismen und dessen Wasserhaushalt lebenswichtig. Elektrolytmangel kann zu manchmal lebensbedrohlichen Hitzeschäden führen und tritt oft zusammen mit Flüssigkeitsmangel auf. ⓘ

Etymologie

Das Wort Elektrolyt leitet sich von der altgriechischen Vorsilbe ήλεκτρο- (ēlectro-) ab, die sich auf Elektrizität bezieht, und von λυτός (lytos), was so viel bedeutet wie "losbinden oder lösen können". ⓘ

Geschichte

Svante Arrhenius, Vater des Konzepts der Elektrolytdissoziation in wässriger Lösung, für das er 1903 den Nobelpreis für Chemie erhielt. ⓘ

In seiner Dissertation aus dem Jahr 1884 legte Svante Arrhenius seine Erklärung für die Dissoziation fester kristalliner Salze in paarweise geladene Teilchen beim Auflösen vor, für die er 1903 den Nobelpreis für Chemie erhielt. Arrhenius' Erklärung war, dass das Salz bei der Bildung einer Lösung in geladene Teilchen dissoziiert, denen Michael Faraday (1791-1867) viele Jahre zuvor den Namen "Ionen" gegeben hatte. Faraday war davon ausgegangen, dass die Ionen bei der Elektrolyse entstehen. Arrhenius schlug vor, dass Lösungen von Salzen auch ohne elektrischen Strom Ionen enthalten. Er schlug daher vor, dass chemische Reaktionen in Lösungen Reaktionen zwischen Ionen sind. ⓘ

Kurz nach der Ionenhypothese von Arrhenius stellten Franz Hofmeister und Siegmund Lewith fest, dass verschiedene Ionenarten unterschiedliche Auswirkungen z. B. auf die Löslichkeit von Proteinen haben. Eine konsistente Anordnung dieser verschiedenen Ionen nach dem Ausmaß ihrer Wirkung ergibt sich auch in vielen anderen Systemen. Dies ist inzwischen als Hofmeister-Reihe bekannt geworden. Während die Ursprünge dieser Effekte nicht ganz klar sind und im letzten Jahrhundert diskutiert wurden, wurde vorgeschlagen, dass die Ladungsdichte dieser Ionen eine wichtige Rolle spielt, und es könnte tatsächlich Erklärungen geben, die auf die Arbeit von Charles-Augustin de Coulomb vor über 200 Jahren zurückgehen. ⓘ

Bildung

Elektrolytlösungen entstehen normalerweise, wenn Salz in ein Lösungsmittel wie Wasser gegeben wird und die einzelnen Bestandteile aufgrund der thermodynamischen Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und gelösten Molekülen in einem Prozess dissoziieren, der als "Solvatation" bezeichnet wird. Wenn zum Beispiel Kochsalz (Natriumchlorid), NaCl, in Wasser gegeben wird, löst sich das Salz (ein Feststoff) gemäß der Dissoziationsreaktion in seine einzelnen Ionen auf

NaCl_(s) → Na⁺_(aq) + Cl-_(aq)

Es ist auch möglich, dass Stoffe mit Wasser reagieren und dabei Ionen bilden. So löst sich zum Beispiel Kohlendioxid in Wasser und es entsteht eine Lösung, die Hydronium-, Carbonat- und Hydrogencarbonat-Ionen enthält. ⓘ

Geschmolzene Salze können ebenfalls Elektrolyte sein, denn wenn beispielsweise Natriumchlorid geschmolzen ist, leitet die Flüssigkeit Strom. Insbesondere ionische Flüssigkeiten, d. h. geschmolzene Salze mit einem Schmelzpunkt unter 100 °C, sind eine Art hoch leitfähiger nichtwässriger Elektrolyte und finden daher immer mehr Anwendung in Brennstoffzellen und Batterien. ⓘ

Ein Elektrolyt in einer Lösung kann als "konzentriert" bezeichnet werden, wenn er eine hohe Ionenkonzentration aufweist, oder als "verdünnt", wenn er eine niedrige Konzentration hat. Wenn ein großer Teil des gelösten Stoffes dissoziiert und freie Ionen bildet, ist der Elektrolyt stark; wenn der größte Teil des gelösten Stoffes nicht dissoziiert, ist der Elektrolyt schwach. Die Eigenschaften von Elektrolyten können durch Elektrolyse genutzt werden, um die in der Lösung enthaltenen Elemente und Verbindungen zu gewinnen. ⓘ

Erdalkalimetalle bilden Hydroxide, die aufgrund der starken Anziehungskraft zwischen den Ionen ihrer Bestandteile starke Elektrolyte mit begrenzter Löslichkeit in Wasser sind. Dies beschränkt ihre Anwendung auf Situationen, in denen eine hohe Löslichkeit erforderlich ist. ⓘ

Im Jahr 2021 haben Forscher herausgefunden, dass Elektrolyte "elektrochemische Korrosionsstudien in weniger leitfähigen Medien erheblich erleichtern können". ⓘ

Elektrolyte sind im weitesten Sinne Stoffe, die zumindest teilweise als Ionen vorliegen. ⓘ

Man unterscheidet dabei in ⓘ

Die wichtigsten Elektrolyte sind demzufolge entweder Säuren, Basen oder Salze. ⓘ

Physiologische Bedeutung

In der Physiologie sind die wichtigsten Ionen der Elektrolyte Natrium (Na⁺), Kalium (K⁺), Kalzium (Ca²⁺), Magnesium (Mg²⁺), Chlorid (Cl-), Hydrogenphosphat (HPO₄2-) und Hydrogencarbonat (HCO₃-). Die elektrischen Ladungssymbole Plus (+) und Minus (-) weisen darauf hin, dass es sich um eine ionische Substanz handelt, die eine unausgewogene Elektronenverteilung aufweist, die das Ergebnis einer chemischen Dissoziation ist. Natrium ist der Hauptelektrolyt in der extrazellulären Flüssigkeit und Kalium ist der wichtigste intrazelluläre Elektrolyt; beide sind am Flüssigkeitshaushalt und an der Kontrolle des Blutdrucks beteiligt. ⓘ

Alle bekannten mehrzelligen Lebewesen benötigen ein subtiles und komplexes Elektrolytgleichgewicht zwischen dem intrazellulären und dem extrazellulären Milieu. Besonders wichtig ist die Aufrechterhaltung präziser osmotischer Elektrolytgradienten. Solche Gradienten beeinflussen und regulieren den Wasserhaushalt des Körpers sowie den pH-Wert des Blutes und sind entscheidend für die Nerven- und Muskelfunktion. In lebenden Organismen gibt es verschiedene Mechanismen, die die Konzentrationen der verschiedenen Elektrolyte unter strenger Kontrolle halten. ⓘ

Sowohl Muskelgewebe als auch Neuronen gelten als elektrische Gewebe des Körpers. Muskeln und Neuronen werden durch die Elektrolytaktivität zwischen der extrazellulären Flüssigkeit oder interstitiellen Flüssigkeit und der intrazellulären Flüssigkeit aktiviert. Elektrolyte können durch spezialisierte Proteinstrukturen, die in die Plasmamembran eingebettet sind und als "Ionenkanäle" bezeichnet werden, in die Zellmembran ein- oder austreten. So ist beispielsweise die Muskelkontraktion von der Anwesenheit von Kalzium (Ca²⁺), Natrium (Na⁺) und Kalium (K⁺) abhängig. Ohne ausreichende Mengen dieser Schlüsselelektrolyte kann es zu Muskelschwäche oder schweren Muskelkontraktionen kommen. ⓘ

Das Elektrolytgleichgewicht wird durch orale oder in Notfällen intravenöse (IV) Zufuhr von elektrolythaltigen Substanzen aufrechterhalten und durch Hormone reguliert, wobei die Nieren im Allgemeinen überschüssige Mengen ausspülen. Beim Menschen wird die Elektrolyt-Homöostase durch Hormone wie antidiuretische Hormone, Aldosteron und Nebenschilddrüsenhormone reguliert. Schwerwiegende Elektrolytstörungen wie Dehydratation und Überhydratation können zu kardialen und neurologischen Komplikationen führen, die, wenn sie nicht rasch behoben werden, zu einem medizinischen Notfall führen. ⓘ

Messung

Die Messung der Elektrolyte ist ein gängiges diagnostisches Verfahren, das über eine Blutuntersuchung mit ionenselektiven Elektroden oder eine Urinanalyse durch Medizintechniker durchgeführt wird. Die Interpretation dieser Werte ist ohne Analyse der klinischen Vorgeschichte wenig aussagekräftig und ohne parallele Messungen der Nierenfunktion oft unmöglich. Die am häufigsten gemessenen Elektrolyte sind Natrium und Kalium. Der Chloridgehalt wird nur selten gemessen, außer bei der Interpretation der arteriellen Blutgase, da er zwangsläufig mit dem Natriumgehalt verbunden ist. Eine wichtige Untersuchung des Urins ist die Bestimmung des spezifischen Gewichts, um das Vorliegen eines Elektrolyt-Ungleichgewichts festzustellen. ⓘ

Rehydrierung

Bei der oralen Rehydratationstherapie füllen Elektrolytgetränke, die Natrium- und Kaliumsalze enthalten, die Wasser- und Elektrolytkonzentration des Körpers nach einer Dehydratation durch Sport, übermäßigen Alkoholkonsum, Diaphorese (starkes Schwitzen), Durchfall, Erbrechen, Vergiftung oder Hunger wieder auf. Sportler, die unter extremen Bedingungen trainieren (drei oder mehr Stunden am Stück, z. B. bei einem Marathon oder Triathlon) und keine Elektrolyte zu sich nehmen, riskieren eine Dehydrierung (oder Hyponatriämie). ⓘ

Ein hausgemachtes Elektrolytgetränk kann aus Wasser, Zucker und Salz in einem genauen Verhältnis hergestellt werden. Es ist wichtig, Glukose (Zucker) beizufügen, um den Co-Transportmechanismus von Natrium und Glukose zu nutzen. Es gibt auch kommerzielle Präparate für den menschlichen und tierärztlichen Gebrauch. ⓘ

Elektrolyte sind häufig in Fruchtsäften, Sportgetränken, Milch, Nüssen und vielen Obst- und Gemüsesorten (ganz oder in Saftform) enthalten (z. B. Kartoffeln, Avocados). ⓘ

Elektrochemie

Wenn Elektroden in einem Elektrolyten platziert werden und eine Spannung angelegt wird, leitet der Elektrolyt Strom. Einzelne Elektronen können normalerweise nicht durch den Elektrolyten wandern; stattdessen findet an der Kathode eine chemische Reaktion statt, die dem Elektrolyten Elektronen zuführt. Eine weitere Reaktion findet an der Anode statt, die Elektronen aus dem Elektrolyten aufnimmt. Dadurch entsteht im Elektrolyten um die Kathode eine negative Ladungswolke und um die Anode eine positive Ladung. Die Ionen im Elektrolyt neutralisieren diese Ladungen, so dass die Elektronen weiter fließen und die Reaktionen fortgesetzt werden können. ⓘ

Elektrolysezelle zur Herstellung von Chlor (Cl₂) und Natriumhydroxid (NaOH) aus einer Kochsalzlösung. ⓘ

In einer Lösung von gewöhnlichem Kochsalz (Natriumchlorid, NaCl) in Wasser läuft die Kathodenreaktion beispielsweise folgendermaßen ab

2 H₂O + 2e- → 2 OH- + H₂

und Wasserstoffgas steigt auf; die Anodenreaktion ist

2 NaCl → 2 Na⁺ + Cl₂ + 2e-

und Chlorgas wird in die Lösung freigesetzt, wo es mit den Natrium- und Hydroxyl-Ionen reagiert und Natriumhypochlorit - das Bleichmittel für den Haushalt - bildet. Die positiv geladenen Natriumionen Na⁺ reagieren zur Kathode und neutralisieren dort die negative Ladung von OH-, und die negativ geladenen Hydroxidionen OH- reagieren zur Anode und neutralisieren dort die positive Ladung von Na⁺. Ohne die Ionen aus dem Elektrolyten würden die Ladungen um die Elektrode den weiteren Elektronenfluss verlangsamen; die Diffusion von H⁺ und OH- durch das Wasser zur anderen Elektrode dauert länger als die Bewegung der viel häufiger vorkommenden Salzionen. Elektrolyte dissoziieren in Wasser, weil Wassermoleküle Dipole sind und die Dipole sich in einer energetisch günstigen Weise ausrichten, um die Ionen zu lösen. ⓘ

In anderen Systemen können an den Elektrodenreaktionen sowohl die Metalle der Elektroden als auch die Ionen des Elektrolyten beteiligt sein. ⓘ

Elektrolytische Leiter werden in elektronischen Geräten verwendet, bei denen die chemische Reaktion an einer Metall-Elektrolyt-Grenzfläche zu nützlichen Effekten führt.

• In Batterien werden zwei Materialien mit unterschiedlicher Elektronenaffinität als Elektroden verwendet; außerhalb der Batterie fließen Elektronen von einer Elektrode zur anderen, während innerhalb der Batterie der Stromkreis durch die Ionen des Elektrolyten geschlossen wird. Hier wandeln die Elektrodenreaktionen chemische Energie in elektrische Energie um.
• In einigen Brennstoffzellen verbindet ein fester Elektrolyt oder Protonenleiter die Platten elektrisch miteinander, während die Brenngase Wasserstoff und Sauerstoff getrennt bleiben.
• In Galvanikbehältern scheidet der Elektrolyt gleichzeitig Metall auf dem zu beschichtenden Gegenstand ab und verbindet diesen Gegenstand elektrisch mit dem Stromkreis.
• In Betriebsstundenmessern sind zwei dünne Quecksilbersäulen durch einen kleinen, mit Elektrolyt gefüllten Spalt getrennt. Wenn Ladung durch das Gerät geleitet wird, löst sich das Metall auf der einen Seite auf und scheidet sich auf der anderen Seite ab, wodurch sich der sichtbare Spalt langsam verschiebt.
• In Elektrolytkondensatoren wird der chemische Effekt genutzt, um eine extrem dünne dielektrische oder isolierende Schicht zu erzeugen, während sich die Elektrolytschicht wie eine Kondensatorplatte verhält.
• In einigen Hygrometern wird die Luftfeuchtigkeit durch Messung der Leitfähigkeit eines nahezu trockenen Elektrolyten gemessen.
• Heißes, erweichtes Glas ist ein elektrolytischer Leiter, und einige Glashersteller halten das Glas geschmolzen, indem sie einen starken Strom durch das Glas leiten. ⓘ

Feste Elektrolyte

Feste Elektrolyte lassen sich hauptsächlich in vier Gruppen einteilen, die im Folgenden beschrieben werden. ⓘ

Gel-Elektrolyte

Gelelektrolyte - ähneln stark den flüssigen Elektrolyten. Im Wesentlichen handelt es sich um Flüssigkeiten in einem flexiblen Gittergerüst. Um die Leitfähigkeit solcher Systeme zu erhöhen, werden häufig verschiedene Zusatzstoffe verwendet. ⓘ

Polymerelektrolyte

Trockene Polymerelektrolyte - unterscheiden sich von flüssigen und Gelelektrolyten dadurch, dass das Salz direkt im festen Medium gelöst ist. In der Regel handelt es sich um ein Polymer mit relativ hoher Dielektrizitätskonstante (PEO, PMMA, PAN, Polyphosphazene, Siloxane usw.) und ein Salz mit niedriger Gitterenergie. Um die mechanische Festigkeit und die Leitfähigkeit solcher Elektrolyte zu erhöhen, werden sehr oft Verbundwerkstoffe verwendet und eine inerte keramische Phase eingeführt. Es gibt zwei Hauptklassen solcher Elektrolyte: Polymer-in-Keramik und Keramik-in-Polymer. ⓘ

Keramische Elektrolyte

Feste keramische Elektrolyte - Ionen wandern durch die keramische Phase mit Hilfe von Leerstellen oder Zwischengitterplätzen innerhalb des Gitters. Es gibt auch glaskeramische Elektrolyte. ⓘ

Organische Kunststoffelektrolyte

Organische ionische plastische Kristalle - sind eine Art organischer Salze, die Mesophasen aufweisen (d. h. einen Aggregatzustand zwischen flüssig und fest), bei denen die beweglichen Ionen orientierungs- oder rotationsmäßig ungeordnet sind, während sich ihre Zentren an den geordneten Stellen der Kristallstruktur befinden. Sie weisen verschiedene Formen der Unordnung aufgrund eines oder mehrerer Festkörper-Phasenübergänge unterhalb des Schmelzpunkts auf und haben daher plastische Eigenschaften und eine gute mechanische Flexibilität sowie einen verbesserten Elektroden-Elektrolyt-Grenzflächenkontakt. Insbesondere protische organische ionische plastische Kristalle (POIPCs), bei denen es sich um feste protische organische Salze handelt, die durch Protonenübertragung von einer Brønsted-Säure auf eine Brønsted-Base gebildet werden und im Wesentlichen protische ionische Flüssigkeiten im geschmolzenen Zustand sind, haben sich als vielversprechende Festkörper-Protonenleiter für Brennstoffzellen erwiesen. Beispiele hierfür sind 1,2,4-Triazoliumperfluorbutansulfonat und Imidazoliummethansulfonat. ⓘ

Festkörper

Auch Festkörper können bewegliche Ionen enthalten. Gerade bei hohen Temperaturen werden beispielsweise in aus Ionen bestehenden Festkörpern Ionen beweglich. Es gibt aber auch feste Elektrolyte, die bei Raumtemperatur verwendet werden können, oder bei nur wenig erhöhten Temperaturen. Dazu gehören auch die in manchen Brennstoffzellen verwendeten Polymerelektrolyt-Membranen. Sie bestehen aus einem Kunststoffgerüst, das ionische Seitengruppen enthält. Wichtige Ionenleiter sind beispielsweise manche Natriumaluminate. Neben der Anwendung in Brennstoffzellen sind Festelektrolyte auch in Sensoren wichtig, etwa der Lambdasonde, die ein Elektrolyt enthält, das Sauerstoffionen leitet (z. B. YSZ, yttria stabilized zirconia, eine Mischung von Zirkoniumdioxid ZrO₂ und Yttriumoxid Y₂O₃). Auch die um 1900 als Glühlampe gebräuchliche Nernstlampe verwendete solche Festelektrolyte. ⓘ

Biologische Elektrolyte

Die wichtigsten Ionen biologischer Elektrolyte sind Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Chlorid, Phosphat und Hydrogencarbonat, bei Pflanzen zusätzlich noch Nitrate. Sie sind im Zytosol enthalten und für die Funktion der Zellen und Reizleitung aber auch für das Membranpotential unentbehrlich. Noch weitere Ionen sind als Spurenelemente für die Zelle notwendig, doch sind die genannten Ionen besonders bedeutend im Hinblick auf das Elektrolytgleichgewicht der Zelle, da sie bei der Regulierung des osmotischen Drucks eine herausragende Rolle spielen. ⓘ

Elektrochemische Anwendungen

Eine wichtige Anwendung von Elektrolyten ist der Gebrauch bei der Elektrolyse einschließlich der Galvanik. Elektrolyte sind auch notwendige Bestandteile von Batterien, Akkumulatoren und Elektrolytkondensatoren. Zur Herkunft des von Michael Faraday geprägten Begriffes Elektrolyt siehe auch „Faradaysche Gesetze“, zur Bedeutung der Elektrolytkonzentration siehe auch Nernst-Gleichung. ⓘ

Galvanische Elektrolyte

In der Galvanik werden folgende Elektrolyte verwendet.

• Aluminiumelektrolyte
• Antimonelektrolyte
• Bleielektrolyte
• Bronzeelektrolyte
• Cadmiumelektrolyte
• Cobaltelektrolyte
• Chromelektrolyte
• Eisenelektrolyte
• Goldelektrolyte
• Indiumelektrolyte
• Kupferelektrolyt
• Manganelektrolyte
• Messingelektrolyte
• Nickelelektrolyte
• Nickel-Eisen-Elektrolyte
• Palladiumelektrolyte
• Platinelektrolyte
• Rheniumelektrolyte
• Rhodiumelektrolyte
• Rutheniumelektrolyte
• Silberelektrolyte
• Wismutelektrolyte
• Wolframelektrolyte
• Zinkelektrolyte
• Zinnelektrolyte ⓘ